Rôle d'un Simulateur de Circuits dans la Conception Électronique

La création de circuits électroniques et électriques peut être longue, technologiquement exigeante, sans parler de coûteuse. Après avoir créé un circuit électronique, les concepteurs doivent tester la fonctionnalité du circuit pour en confirmer le bon fonctionnement et effectuer les ajustements nécessaires. Et si, au lieu de créer le circuit avec un vrai tableau et des composants, nous pouvions obtenir une description mathématique du circuit ? C'est l'idée derrière la simulation de circuits. Dans cet article, nous allons examiner ce sujet et explorer différents types de simulations de circuits.

Il ne devrait pas être surprenant que la croissance de la simulation de circuits, tant en sophistication qu'en puissance, ait considérablement augmenté la productivité lors de la conception. Le résultat n'est pas seulement une accélération des délais de développement, mais aussi des conceptions plus approfondies grâce à la facilité avec laquelle les utilisateurs peuvent rapidement construire, sonder et analyser des circuits. Que ce soit pour une preuve de concept ou une révision, la simulation de circuits offre un cadre indiscutable pour la conception moderne de PCB. De cette manière, on teste et vérifie les performances des différents composants en les remplaçant dans le circuit. Voyons quels types de composants électroniques et symboles existent pour lesquels nous pouvons effectuer des simulations et comment ils fonctionnent.

Qu'est-ce que la Simulation de Circuits ?

En raison du grand nombre d'appareils, de dispositifs et de gadgets qui sont lancés chaque jour, il est essentiel d'assurer un processus de fabrication fluide, tout en respectant les différentes normes technologiques et les règles. Non seulement dans la conception des PCB, mais la simulation joue un rôle très important dans chaque secteur de l'ingénierie. En électronique, nous créons un modèle mathématique d'un circuit afin d'étudier ses performances, sans le fabriquer réellement (avec des composants tangibles). Cette méthode de modélisation des circuits à l'aide d'équations mathématiques pour vérifier et contrôler la conception des circuits électroniques et électriques est appelée Simulation de Circuits.

Lorsque nous évaluons la simulation de circuits par rapport à d'autres types de simulation, comme la simulation logique et la simulation fonctionnelle, elle emploie un modèle physique détaillé (sous forme d'équations mathématiques) des différents composants du circuit pour résoudre des équations algébriques et différentielles complexes. Le résultat est une simulation précise utilisant des formes d'onde de temps exactes pour les tensions des nœuds ainsi que les courants des composants. À un niveau de base, un simulateur résout des équations mathématiques et fournit ensuite des résultats sous forme de différents graphiques.

Besoin de la Simulation de Circuits

Il est évident qu'avec la simulation de circuits, nous pouvons évaluer les capacités des circuits sans avoir à fabriquer le circuit.

- Rentabilité : La simulation de circuits est rentable et permet de gagner du temps. Nous pouvons rapidement concevoir des circuits complexes avec l'aide du logiciel. Cela permet aux ingénieurs et aux entreprises d'économiser un temps et un argent considérables.

- Vérification facile : Nous pouvons facilement redessiner le circuit en fonction des résultats de la simulation. À chaque étape de la simulation et de la conception, les ingénieurs peuvent vérifier les performances du circuit et les comparer avec la réponse théorique.

- Modifications faciles : Le logiciel de simulation de circuits est le point de départ pour une nouvelle idée ou un nouveau concept. Il est également possible de modifier les conceptions existantes sans créer de PCB.

Comme lors de l'analyse physique et en observant les formes d'onde sur un oscilloscope, vous pouvez faire des choses similaires dans la simulation de circuits. Il est facile de sonder différents endroits dans un circuit et de voir les formes d'onde dans la simulation.

Types de Simulation de Circuits

Voyons maintenant les différents types de simulations de circuits. La simulation peut être classée de la manière suivante :

1. Simulation de Circuits Analogiques

2. Simulation de Circuits Numériques

3. Simulation de Circuits en Mode Mixte

1) Simulation Analogique :

Comme son nom l'indique, les simulations analogiques utilisent généralement des composants et signaux analogiques. Dans ce type de simulation, les modèles mathématiques doivent être extrêmement précis pour fonctionner dans le domaine de fréquence (AC), le domaine temporel (transitoire) et les modes non linéaires de quiescence (DC). SPICE, FastSPICE et FastSPICE sont deux simulateurs analogiques bien connus qui utilisent des modèles de composants linéaires et non linéaires très précis pour étudier le comportement du circuit.

2) Simulation Numérique :

Lorsque nous comparons les modèles mathématiques complexes des simulateurs analogiques avec les simulateurs numériques, ces derniers sont relativement simples. Le HDL comme Verilog et VHDL constitue la base de la simulation numérique. Contrairement aux simulateurs analogiques, où nous avons besoin de signaux qui changent en continu, dans la simulation numérique, nous utilisons en fait deux niveaux de tension distincts. Lorsqu'on parle d'électronique numérique, on fait référence à 0 logique et 1 logique. Ce n'est pas seulement un contrôle fonctionnel qui est effectué ici, mais l'STA (analyse de timing statique) joue un rôle important. Cela aide à déterminer les délais de configuration, de maintien et de propagation maximale.

3) Simulation en Mode Mixte :

Il s'agit d'un mélange des simulations analogiques et numériques. Ce type de simulation peut être très utile pour la conception et l'analyse de systèmes de circuits mixtes. Grâce à la simulation en mode mixte, les parties numériques et analogiques sont des entités distinctes, chacune ayant ses propres instruments et sources.

Niveaux de Simulation

Dans la dernière section, nous avons examiné les différents types de simulations de circuits. Ces types définissent la nature du circuit ainsi que les étapes d'analyse à suivre. Vous pouvez également spécifier différents niveaux de simulation, en fonction de l'abstraction et de la complexité des circuits.

Simulation au niveau Bloc : La simulation utilisée sépare les parties fonctionnelles en différents blocs et effectue la simulation sur ces blocs de manière unifiée. Cela est essentiel pour un design modulaire et aide à la réutilisation de blocs fonctionnels déjà présents dans d'autres circuits.

Simulation au niveau Puce : Comme le nom l'indique, dans un simulateur au niveau puce, on prend un circuit intégré (une puce) et on modélise son fonctionnement en tant qu'unité unique. Cela permet de s'assurer que la puce fonctionne de la manière dont elle a été prévue.

Types d'Analyse en Simulation

1. Analyse Transitoire :

Cette simulation examine le comportement du circuit au fil du temps, aidant les ingénieurs à comprendre les fluctuations des signaux, les conditions de démarrage et les comportements dépendant du temps. La sortie est tracée par rapport au temps.

2. Analyse AC :

L'analyse AC est utilisée pour étudier la réponse en fréquence et la stabilité, notamment dans la conception d'amplificateurs et de filtres. La sortie est tracée par rapport à un balayage de fréquence.

3. Analyse DC :

L'analyse DC permet d'évaluer les niveaux de tension et de courant en régime permanent, garantissant un bon biais et une bonne répartition de l'énergie. Elle est utilisée pour trouver les conditions de polarisation en courant continu et le point de fonctionnement des transistors et MOSFETs.

4. Simulation Thermique :

L'analyse thermique prédit la dissipation de chaleur et l'élévation de la température dans les composants, essentielle pour la fiabilité dans les applications à haute puissance. L'analyse thermique joue un rôle crucial dans la conception de circuits thermiquement indépendants dans une puce.

Avantages de la Simulation de Circuits

La majorité des logiciels de simulation de circuits les plus populaires, comme SPICE, LTspice, etc., sont disponibles gratuitement. Certains outils sont propriétaires, cependant, tous sont développés avec l'algorithme SPICE.

- Test des processus liés à la mémoire : La simulation analogique spécialement conçue permet d'analyser la vitesse et la latence des processus liés à la mémoire.

- Dépannage plus efficace : En termes de temps, découvrir et dépanner un circuit défectueux numériquement prend bien moins de temps que de résoudre manuellement les valeurs (par exemple, la tension, le courant et la puissance).

- Modélisation du bruit et du crosstalk : Les simulateurs permettent également d'étudier le crosstalk dans des conceptions RF complexes ainsi que dans des conceptions à haute vitesse.

En plus des circuits réguliers, les simulateurs sont également équipés d'outils pour tester les conceptions des alimentations (SMPS) ou des réseaux de distribution d'énergie. Les simulateurs numériques surveillent les niveaux de tension de 0 logique, et lors de l'utilisation de simulateurs analogiques, vous pouvez mesurer le temps de changement entre ces niveaux de logique.

Logiciels de Simulation Populaires

Il existe une grande variété de logiciels de simulation de circuits disponibles sur le marché. SPICE, qui signifie Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis, est un simulateur de circuits bien connu. Le laboratoire de recherche électronique de l'Université de Berkeley a initialement développé ce logiciel pour le département américain.

Étant un logiciel open-source, il est devenu populaire auprès d'autres concepteurs qui ont développé leurs propres simulateurs avec les algorithmes SPICE. L'un de ces outils est LTspice.  Un autre simulateur SPICE très populaire est Multisim de NI, qui est cependant différent de LTspice par son prix élevé. Voici quelques simulateurs de circuits bien connus :

- SPICE

- Ngspice

- LTspice (SPICE)

- PSIM

- Multisim (SPICE)

- Cadence Spectre

- Synopsys PrimeSim (SPICE et FastSPICE)

Conclusion:

La simulation de circuits est un élément crucial de la création de produits électroniques. Grâce aux simulateurs, vous pouvez concevoir des circuits électroniques et électriques, vérifier leur fonctionnement et analyser leurs performances. Vous pouvez effectuer les ajustements nécessaires avant de passer à la fabrication. Cela permet aux entreprises de gagner beaucoup de temps et d'argent. Dans cet article, nous avons exploré les bases de la simulation de circuits et ses avantages. Nous avons également examiné les différents types de simulation de circuits, ainsi que plusieurs programmes de simulateurs populaires.